复旦大学马余刚院士团队在夸克物质整体极化研究中取得突破

本文转自：人民日报客户端

姜泓冰

复旦大学马余刚院士团队首次在国际合作重离子碰撞实验中观测到了反应末态粒子的整体自旋排列现象，为研究夸克胶子等离子体（QGP）中的强相互作用提供了新的可能方向。相关成果1月18日发表在《自然》（Nature）杂志。

该成果基于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机上的螺旋径迹探测器（RHIC-STAR）。马余刚院士团队与合作者在STAR实验组测量了Φ和K*0介子的整体自旋排列。他们采用马院士团队2005年建立的数据分析方法（DOI: 10.1103/PhysRevC77.061902），通过跟踪这些粒子的衰变产物相对于反应平面法线方向的角分布，再将这些角度分布测量值转换为母粒子处于三种自旋状态的概率，实现母粒子的自旋排列密度矩阵的。自旋是基本粒子所具有的内禀角动量，其本质是一种相对论的量子效应。在没有整体自旋排列信号的情况下，研究团队测量的Φ和K*0介子自旋处于三种状态中的每一种的概率都等于三分之一，正如对于K*0介子的实验测量所展示的。但是对于Φ介子，实验数据表现出强烈的信号，即一种状态优于其他两种状态。

传统理论并不能描述本次矢量介子整体自旋排列的新实验结果。在传统的机制下，将夸克水平的自旋极化转换为介子的整体自旋排列得到的效应远远低于该论文中新的测量结果。近期，中国的理论核物理团队由此提出新观点，即QGP内强相互作用力的局部涨落可能驱动了Φ介子的整体自旋排列。这种新的机制也考虑了Φ和K*0介子之间不同的夸克组分，并解释了实验上观测到两者之间的差异。该理论仍需要更多的实验结果进行验证。

相对论重离子碰撞中夸克物质的“整体极化”效应，和自然界中一些现象类似。比如地球在围绕太阳公转的同时也在自转，相对论重离子碰撞产生的夸克物质在实现每秒10的21次量级的自身转速的同时，表现出一定的方向性，这种方向性类似于地球绕日公转时表现出的倾角。

新的实验研究还在持续，马余刚院士团队及合作者正在研究另一种由同味道夸克-反夸克对形成的粒子的自旋整体排列：J/Ψ粒子的整体极化。如能发现其自旋整体排列，将为强相互作用力的局部涨落的理论解释增加支撑，从而也提供了使用这些粒子的整体极化行为来量化强相互作用中的局部涨落强度，为研究QGP中的强相互作用机制提供了一个新的可能方向。

该成果主要由7人完成，包括复旦大学团队的马余刚院士、陈金辉研究员和周晨升博士后，以及布鲁克海文国家实验室唐爱洪研究员、伊利诺伊大学芝加哥分校孙旭博士后（现工作在中科院近代物理研究所）、肯特州立大学Declan Keane教授和中科院近代物理所Subhash Singha研究员。他们的工作得到了国家自然科学基金委重大项目、国家自然科学基金委杰出青年科学基金、国家自然科学基金委理论物理专款-上海核物理理论研究中心的支持。